CN113419234A - 基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置及方法，属于雷达信号处理技术领域。基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置，包括雷达组件及与雷达组件信号连接的角锥；雷达组件由雷达主体、波束测距机构及两向安装机构组成；毫米波雷达不仅精度能够达到亚毫米级，能够实现高精度的微变形监测，通过对点或对局部的空间观测对比、就比原有动态监测的设备更直观的反映情况，而且还显现出安装操作方便、测试高效、受环境干扰小等优势，实现有效分析与预测的功能在防止建筑变形中有着重要的作用，便于工程的应用实现。

Description

基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置及方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，更具体地说，涉及基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置及方法。

背景技术

随着高层建筑物的增高和荷载的增加，在地基基础上和上部结构的共同作用下，建筑物可能发生不均匀沉降，导致建筑物产生倾斜或裂缝，影响正常使用，甚至危害建筑物的安全。目前监测建筑物变形的方法主要是通过各种传感器收集数据的变化来达到对比的目的。当对比数据达到范围值内，就会有相应的警示警报处理，以达到监测的目的。使用毫米波雷达监测高层建筑的形变在应用过程中与传统仪器相比不仅精度能够达到亚毫米级，而且还具有安装操作方便、受环境干扰小等优势，能够定期对建筑物进行实时监测，预防为主，确保建筑物的安全使用。鉴于此，我们提出一种基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置及方法。

发明内容

1．要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置及方法，通过在高层建筑上安装先进的毫米波雷达监测传感器，实时高精度动态监测高层建筑的倾斜、沉降、裂缝等安全状况，通过自动化监测平台，实现信息化安全监控和过程管理，预防重大事故发生，减少经济损失，维护社会稳定。

2.技术方案

基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置，包括雷达组件及与所述雷达组件信号连接的角锥；所述雷达组件由雷达主体、波束测距机构及两向安装机构组成；

所述雷达主体安装于波束测距机构正面，用于发射电磁信号；

所述波束测距机构与角锥同轴安装，用于测量角锥安装基点；

所述两向安装机构安装于波束测距机构背面，用于雷达主体的横向及纵向安装。

优选地，所述波束测距机构包括盒体、盒盖，所述雷达主体通过定位孔安装于盒盖表面，所述盒体内部径向设有与其滑动连接的顶杆，所述顶杆起端抵接有与盒体螺纹连接的调节螺丝，所述顶杆终端通过弹簧A与盒体内部抵接。

优选地，所述盒体顶面相对雷达主体镜头的位置安装有激光器A，所述激光器A一侧通过轮轴转动连接有角度轮，所述角度轮一侧圆周外壁开设有齿槽A，所述齿槽A与顶杆终端外壁的齿槽B啮合连接，所述角度轮另一侧圆周外壁嵌设有激光器B，所述角度轮外侧设有与盒盖嵌合的角度盘，所述角度盘外侧设有与轮轴端部套接的指针。

优选地，所述定位孔呈径向设有多组，每组定位孔由呈三角形排列的通孔组成。

优选地，所述激光器A与激光器B的交点与雷达主体镜头的位置适配。

优选地，所述两向安装机构包括设于盒体背后的两向安装架，所述两向安装架由一个轴向杆及两个纵支腿组成的U型架，所述纵支腿上端与轴向杆侧端通过固定螺丝A螺接，所述轴向杆中部靠近两个固定螺丝A的位置均开设有膨胀螺孔，且所述轴向杆正面靠近中部的位子间距设有两个凸起。

优选地，所述两向安装机构还包括对称开设于盒体背面的两个楔形滑槽，所述楔形滑槽内滑动设有夹座，所述夹座内部通过弹簧B抵接有工型件，所述工型件的工槽内对称压设有两个夹臂，两个所述夹臂合抱的尺寸大小与轴向杆的尺寸适配，且两个所述夹臂合抱终端通过固定螺丝B螺接。

优选地，所述楔形滑槽内平行开设有两个弹簧孔，所述弹簧孔内旋转固接有弹簧头，所述弹簧头内嵌设有弹簧C，所述弹簧头头部与夹座上的头槽卡接配合。

优选地，两个所述凸起的间距与轴向排列的两个夹臂之间的距离适配。

优选地，基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的方法，S1、在建筑物内外定位安装角锥和雷达组件；

S2、通过雷达组件监测建筑内外多个位置相对位移；

S3、通过低通数字滤波器实现高测距精度，感知0.1mm级别静态形变；

S4、通过测量角锥表面的微多普勒特性，基于微多普勒感知建筑动态形变；

S5、根据雷达组件接收到不同测试点的数据，形成建筑物三维静态和动态模型。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本发明相比现有技术有以下优点：毫米波雷达不仅精度能够达到亚毫米级，能够实现高精度的微变形监测，通过对点或对局部的空间观测对比、就比原有动态监测的设备更直观的反映情况，而且还显现出安装操作方便、测试高效、受环境干扰小等优势，实现有效分析与预测的功能在防止建筑变形中有着重要的作用，便于工程的应用实现。

附图说明

图1为本发明的横向安装结构示意图；

图2为本发明的纵向安装结构示意图；

图3为本发明的整体结构正面拆分示意图；

图4为本发明的整体结构背面拆分示意图；

图5为本发明中波束测距机构的结构拆分示意图；

图6为本发明的部分结构拆分示意图；

图7为本发明中角锥安装监测点图；

图8为本发明中针对不同方向放置角锥的毫米波雷达测试点图；

图9为本发明毫米波雷达监测建筑物形变框图；

图中标号说明：1、雷达组件；2、雷达主体；3、波束测距机构；4、两向安装机构；

301、盒体；302、盒盖；303、定位孔；304、顶杆；305、调节螺丝；306、弹簧A；307、激光器A；308、角度轮；309、齿槽A；310、齿槽B；311、激光器B；312、角度盘；313、指针；

401、两向安装架；402、轴向杆；403、纵支腿；404、膨胀螺孔；405、凸起；406、楔形滑槽；407、夹座；408、工型件；409、夹臂；410、弹簧孔；411、弹簧头；412、弹簧C。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“ 顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1-8,本发明提供一种技术方案：

基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置，包括雷达组件1及与雷达组件1信号连接的角锥；雷达组件1由雷达主体2、波束测距机构3及两向安装机构4组成；

雷达主体2安装于波束测距机构3正面，用于发射电磁信号；利用毫米波雷达发射线性调频信号，由于雷达到达建筑物测试点之间有一定的距离，从信号发射到返回接收，有一定的距离，这个距离就产生了接收时间差，发射信号和接收信号经过混频器得到差值信号 ，根据该中频信号分析出角锥距离，同时和建筑物未发生形变之前的距离值对比，就可以计算出测试点的相对位移。

波束测距机构3与角锥同轴安装，用于测量角锥安装基点；由于角锥需安装在毫米波雷达的波束覆盖的监测范围内，而随着建筑物构造外观构建的难度逐渐增大，在测试点安装角锥时极易受建筑物结构阻碍，传统人工测距定位的方式费时费力，误差较大，因此通过设计波束测距机构3解决角锥定位安装的问题。

两向安装机构4安装于波束测距机构3背面，用于雷达主体2的横向及纵向安装。如图7-8所示，安装在建筑物顶面的角锥，与其信号连接的毫米波雷达纵向安装于其正下方，而安装在建筑物侧壁的角锥，与其信号连接的毫米波雷达横向安装于其同一轴向上，这就需要一种能够同时满足两种安装方式的安装结构。

本发明相对现有技术：毫米波雷达不仅精度能够达到亚毫米级，能够实现高精度的微变形监测，通过对点或对局部的空间观测对比、就比原有动态监测的设备更直观的反映情况，而且还显现出安装操作方便、测试高效、受环境干扰小等优势，实现有效分析与预测的功能在防止建筑变形中有着重要的作用，便于工程的应用实现。

具体的，如图5所示，波束测距机构3包括盒体301、盒盖302，雷达主体2通过定位孔303安装于盒盖302表面，盒体301内部径向设有与其滑动连接的顶杆304，顶杆304起端抵接有与盒体301螺纹连接的调节螺丝305，顶杆304终端通过弹簧A306与盒体301内部抵接。

进一步的，盒体301顶面相对雷达主体2镜头的位置安装有激光器A307，激光器A307一侧通过轮轴转动连接有角度轮308，角度轮308一侧圆周外壁开设有齿槽A309，齿槽A309与顶杆304终端外壁的齿槽B310啮合连接，角度轮308另一侧圆周外壁嵌设有激光器B311，角度轮308外侧设有与盒盖302嵌合的角度盘312，角度盘312外侧设有与轮轴端部套接的指针313。本发明通过转动调节螺丝305推动顶杆304，使得具有复力作用的顶杆304带动与其啮合连接的角度轮308转动，进而调节激光器B311与激光器A307相对夹角，通过指针313在角度盘312上的指示，可以确定夹角读数是否与雷达主体2适配。（不同的雷达主体2的选用会造成波束宽度的变化）

再进一步的，定位孔303呈径向设有多组，每组定位孔303由呈三角形排列的通孔组成。本发明设有多组定位孔303用于调整不同雷达主体2在径向上的位置，从而使得激光器A307与激光器B311的交点与雷达主体2镜头的位置适配。

角锥安装原理：以上下位的角锥与毫米波雷达的安装为例，首先在下层顶面固定本装置，根据选用的雷达主体2的型号，确定波束的宽度（产品说明说中有相关数据），转动调节螺丝305，使得调节螺丝305推动顶杆304，进而使顶杆304带动与其啮合连接的角度轮308转动（该转动的角度对应波束的宽度的一半），形成的两个光点照射在上层底面（一个由竖直的激光器A307形成，一个由倾斜的激光器B311形成），根据两点确定一条直线的原理，在上层顶面标记该直线的线性方向；再用卷尺从竖直光点测量，测量出该点在线性方向上至上层边缘的距离L，从而根据该距离L反推角锥在该线性上的位置，至此确定角锥与毫米波雷达在同一竖直位。

值得说明的是，两向安装机构4包括设于盒体301背后的两向安装架401，两向安装架401由一个轴向杆402及两个纵支腿403组成的U型架，纵支腿403上端与轴向杆402侧端通过固定螺丝A螺接，轴向杆402中部靠近两个固定螺丝A的位置均开设有膨胀螺孔404，且轴向杆402正面靠近中部的位子间距设有两个凸起405。

值得注意的是，两向安装机构4还包括对称开设于盒体301背面的两个楔形滑槽406，楔形滑槽406内滑动设有夹座407，夹座407内部通过弹簧B抵接有工型件408，工型件408的工槽内对称压设有两个夹臂409，两个夹臂409合抱的尺寸大小与轴向杆402的尺寸适配，且两个夹臂409合抱终端通过固定螺丝B螺接。

除此之外，楔形滑槽406内平行开设有两个弹簧孔410，弹簧孔410内旋转固接有弹簧头411，弹簧头411内嵌设有弹簧C412，弹簧头411头部与夹座407上的头槽卡接配合。本发明的安装结构便于装配，适应性强，零部件更换方便。

除此之外，两个凸起405的间距与轴向排列的两个夹臂409之间的距离适配。

毫米波雷达安装原理：水平位安装，雷达主体2镜头竖直摆放，在轴向杆402两侧端加装纵支腿403，通过地脚螺栓便于本装置的水平位安装；竖直位安装，雷达主体2镜头水平摆放，拆去两个纵支腿403，通过轴向杆402上的膨胀螺孔404，与竖直墙壁连接时打入膨胀螺丝。

基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的方法，

S1、在建筑物内外定位安装角锥和雷达组件1；本发明的毫米波雷达设置在测量基点上，如图9所示，角锥为与毫米波雷达配合反射电磁信号的电子信标,安装在毫米波雷达的波束覆盖的监测范围内的建筑物的待测点1，2，i，j上。建筑物的待测试点一般设置在墙体、楼板层、屋顶，建筑高低、荷载或地基承载力差别很大的各部分之间，以及在新旧建筑的联接处。

S2、通过雷达组件1监测建筑内外多个位置相对位移；毫米波雷达发射线性调频信号，由于雷达到达建筑物测试点之间有一定的距离，从信号发射到返回接收，有一定的距离，这个距离就产生了接收时间差，发射信号和接收信号经过混频器得到差值信号，根据该中频信号分析出角锥距离，同时和建筑物未发生形变之前的距离值对比，就可以计算出测试点的相对位移。

S3、通过低通数字滤波器实现高测距精度，感知0.1mm级别静态形变；将毫米波雷达采样信号进行频移，用低通数字滤波器对频移后的数据进行滤波，去除信号所需要细化频带外的频率成分，对滤波后数据进行重采样，计算和重新排序。对经过变换后的信号的频率进行局部细化放大，使感兴趣的频带获得较高的频率分辨率。从而提高测距精度，监测到0.1mm级别静态形变。

S4、通过测量角锥表面的微多普勒特性，基于微多普勒感知建筑动态形变；微多普勒效应是由物体及其构件的微运动产生的物理现象，在信号频谱中，峰值分量表示由物体移动的径向速度引起的多普勒频移，多普勒频移的宽度给出了微多普勒效应产生的速度频散的估计。微多普勒效应可以用来决定物体的运动学性质。建筑物的动态变形可以通过测试点角锥的表面振动来监测。通过测量角锥表面的微多普勒特性，达到监测建筑物的动态形变。

S5、根据雷达组件1接收到不同测试点的数据，形成建筑物三维静态和动态模型。根据毫米波雷达接收到不同测试点的数据，进行数据信号处理，生成点云数据，建立建筑物的三维静态和动态模型，实时监测建筑物的形变。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置，其特征在于：包括雷达组件（1）及与所述雷达组件（1）信号连接的角锥；所述雷达组件（1）由雷达主体（2）、波束测距机构（3）及两向安装机构（4）组成；

所述雷达主体（2）安装于波束测距机构（3）正面，用于发射电磁信号；

所述波束测距机构（3）与角锥同轴安装，用于测量角锥安装基点；

所述两向安装机构（4）安装于波束测距机构（3）背面，用于雷达主体（2）的横向及纵向安装。

2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置，其特征在于：所述波束测距机构（3）包括盒体（301）、盒盖（302），所述雷达主体（2）通过定位孔（303）安装于盒盖（302）表面，所述盒体（301）内部径向设有与其滑动连接的顶杆（304），所述顶杆（304）起端抵接有与盒体（301）螺纹连接的调节螺丝（305），所述顶杆（304）终端通过弹簧A（306）与盒体（301）内部抵接。

3.根据权利要求2所述的基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置，其特征在于：所述盒体（301）顶面相对雷达主体（2）镜头的位置安装有激光器A（307），所述激光器A（307）一侧通过轮轴转动连接有角度轮（308），所述角度轮（308）一侧圆周外壁开设有齿槽A（309），所述齿槽A（309）与顶杆（304）终端外壁的齿槽B（310）啮合连接，所述角度轮（308）另一侧圆周外壁嵌设有激光器B（311），所述角度轮（308）外侧设有与盒盖（302）嵌合的角度盘（312），所述角度盘（312）外侧设有与轮轴端部套接的指针（313）。

4.根据权利要求3所述的基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置，其特征在于：所述定位孔（303）呈径向设有多组，每组定位孔（303）由呈三角形排列的通孔组成。

5.根据权利要求3所述的基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置，其特征在于：所述激光器A（307）与激光器B（311）的交点与雷达主体（2）镜头的位置适配。

6.根据权利要求2所述的基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置，其特征在于：所述两向安装机构（4）包括设于盒体（301）背后的两向安装架（401），所述两向安装架（401）由一个轴向杆（402）及两个纵支腿（403）组成的U型架，所述纵支腿（403）上端与轴向杆（402）侧端通过固定螺丝A螺接，所述轴向杆（402）中部靠近两个固定螺丝A的位置均开设有膨胀螺孔（404），且所述轴向杆（402）正面靠近中部的位子间距设有两个凸起（405）。

7.根据权利要求6所述的基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置，其特征在于：所述两向安装机构（4）还包括对称开设于盒体（301）背面的两个楔形滑槽（406），所述楔形滑槽（406）内滑动设有夹座（407），所述夹座（407）内部通过弹簧B抵接有工型件（408），所述工型件（408）的工槽内对称压设有两个夹臂（409），两个所述夹臂（409）合抱的尺寸大小与轴向杆（402）的尺寸适配，且两个所述夹臂（409）合抱终端通过固定螺丝B螺接。

8.根据权利要求7所述的基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置，其特征在于：所述楔形滑槽（406）内平行开设有两个弹簧孔（410），所述弹簧孔（410）内旋转固接有弹簧头（411），所述弹簧头（411）内嵌设有弹簧C（412），所述弹簧头（411）头部与夹座（407）上的头槽卡接配合。

9.根据权利要求7所述的基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的装置，其特征在于：两个所述凸起（405）的间距与轴向排列的两个夹臂（409）之间的距离适配。

10.基于毫米波雷达监测高层建筑物形变的方法，其特征在于：S1、在建筑物内外定位安装角锥和雷达组件（1）；

S2、通过雷达组件（1）监测建筑内外多个位置相对位移；

S3、通过低通数字滤波器实现高测距精度，感知0.1mm级别静态形变；

S4、通过测量角锥表面的微多普勒特性，基于微多普勒感知建筑动态形变；

S5、根据雷达组件（1）接收到不同测试点的数据，形成建筑物三维静态和动态模型。

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